柯彤

2021年2月，“嫦娥五號”探測器帶回的月球土壤首次公開亮相。

2月27日上午，月球樣品001號·見證中華飛天夢”展覽在國家博物館對公眾開放。

公開展示的月壤樣品有100克，裝在人造水晶材質(zhì)的容器中，整體借鑒了青銅“尊”造型，外部高為38.44厘米，象征地球與月亮間平均間距384400干米，寬為22.89厘米，象征“嫦娥五號”自發(fā)射到返回任務(wù)總時長22.89天。

容器內(nèi)部造型由地球、中國地圖、月球，以及月壤等組成，月壤儲存在中間空心夾層球體之中。月壤呈現(xiàn)出形似月球的造型。下部地球造型黁砂透光，上面的中國地圖透光突出，象征華夏大地對月亮的長久情意。容器內(nèi)設(shè)計的地球與月球間相隔9.9厘米，取意古人所描繪的“天有九霄”，寓意中國探月突破極限、跨越九重天。

回顧這次探月取土過程，至今還歷歷在目。2020年11月24日，“嫦娥五號”探測器成功發(fā)射，12月17日，返回艙安全著陸帶回了總共1731克月球樣品，首次實現(xiàn)了我國地外天體采樣成功返回。

此前，從1969年到1972年，美國共完成6次載人登月，帶回約381千克月球樣品。970年到1972年間，蘇聯(lián)的3顆月球探測器則一共取回約321克月壤和巖心樣本。

另外，1978年，美國贈給了我國1克月壤。中國當(dāng)時沒有能力登月，學(xué)者把這珍貴的1克月壤分成了兩半，0.5克拿去做研究，0.5克留在北京天文館內(nèi)展出。

月球取土有多少

1731克，有人覺得并不多，其實這已經(jīng)不少！

美國是采用人工取土的方式，采集量大，而“嫦娥五號”的月球車通過機器臂來收集表層月壤，所有操作又都需要地面人員遠(yuǎn)程參與，因此過程相當(dāng)復(fù)雜。

嫦娥五號”探測器是目前我國研制的最復(fù)雜的航天器系統(tǒng)之一，由軌道器返回器、著陸器，以及上升器等組成。其中，著陸器和上升器組成“摘月戰(zhàn)隊”，共同開展月面工作;軌道器和返回器組成“返地戰(zhàn)隊”，負(fù)責(zé)帶月壤返回地球。自動采樣是任務(wù)關(guān)鍵。經(jīng)過嚴(yán)苛論證，專家決定采取兩種挖土模式，分別是鉆具鉆取和機械臂表取。

鉆取是通過空心鉆桿的取芯機構(gòu)，鉆到月球表面兩米以下處，得到深層樣品的信息。表取則是采用機械臂未端的固定鏟挖型采樣器，進行表層和次表層月壤采集，多點、多次采樣。

采樣過程重要，保證樣品不受污染同樣重要。相對月面極高真空環(huán)境，而地球大氣中既有氣體成分，又有飄浮的固體顆粒，月球樣品若接觸到這些物質(zhì)會被污染，科研價值將大打折扣。表取的初級封裝裝置像一個“小罐子”，安置在著陸器里。雖然看上去它僅僅是個容器，其實里面有復(fù)雜的傳動機構(gòu)，靠2個電機驅(qū)動可以完成22個復(fù)雜的動作。

“小罐子”的罐體內(nèi)外分層，將鈷取和表取的月壤分開保存。鉆取月壤放在夾層的軟袋子里，表取月壤放在內(nèi)膽里。針對月球極高真空、高低溫環(huán)境和月塵干擾，密封封裝采用了橡膠圈和金屬擠壓相結(jié)合的方式。

這其中的取芯軟袋，是由凱夫拉高分子纖維做成的一體化編織軟袋，被反套在取芯管外壁。鈷取的月球樣品進入取芯管后，取芯軟袋拉繩隨之上提，樣品就被自動裝進軟袋。

除了采樣，“嫦娥五號”探測器還配置了相機、月壤結(jié)構(gòu)探測儀和月球礦物光譜分析儀等多種有效載荷，擔(dān)負(fù)了除采樣以外的多種任務(wù)，比如對月表形貌及礦物組分探測與研究等。正因為有了其他載荷和任務(wù)，月壤的采集量就要量力而行。

月壤里的秘密

“嫦娥五號”返回器帶著月壤回家了，于是有網(wǎng)友提出一個有趣的問題：這種土壤能種菜嗎？

答案可能要讓大家失望了！

原來，所謂的月壤其實是一層沙，或許叫月沙更準(zhǔn)確一些，它幾乎完全是由天體撞擊作用形成的。體積較大的基巖在小天體的撞擊作用下，不斷打碎、混合和翻動，最終在月球表面形成了一層數(shù)米到十幾米厚的沙土層。月壤顆粒直徑多小于1厘米。直徑在1厘米以上的月巖，和地球上的火山巖類似，但也存在很大不同。

這些顆粒主要由氧、硅、鐵、鈣、鋁，以及鎂等元素構(gòu)成，不含有任何有機養(yǎng)分，而且非常干燥，所以無論種菜還是種谷物都是不可能的。

還有的觀眾發(fā)現(xiàn)，月球樣品里面好像還有玻璃顆粒。一般來說，我們知道的玻璃是現(xiàn)代工業(yè)的產(chǎn)物，它怎么會出現(xiàn)在月球呢？

如果看過月球照片或者實際觀測過月球，你會發(fā)現(xiàn)，月面上布滿了大大小小的環(huán)形山，這些環(huán)形山大多是被早期小行星撞擊而成。月球沒有大氣層的保護，這些小天體撞擊月面的速度高達(dá)每秒十幾千米到幾十千米不等，撞擊產(chǎn)生高溫高壓，能夠熔融二氧化硅，產(chǎn)生大量的天然玻璃狀物質(zhì)。

采回的月壤有啥用

首先，月球表面幾乎被月壤覆蓋，這意味著，環(huán)繞月球軌道上的所有探測器直接探測的對象并非巖石，而是月壤，所以對月壤的研究會直接影響探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

其次，月壤是未來月球資源的首選利用對象。月壤中含有豐富的氨-3，大概是地球含量的百萬到千萬倍級。氨-3是未來核聚變的可選燃料之一，100噸氨-3所能創(chuàng)造的能源相當(dāng)于全世界一年消耗的能源總量。發(fā)現(xiàn)能源，也是地球人關(guān)注月球的目的之一。

最后，本次采回的月壤還有特殊價值此前，科學(xué)家通過對美國和蘇聯(lián)帶回的月球樣品的研究發(fā)現(xiàn)，月球上的火山活動在35億年前達(dá)到頂峰，然后減弱并停止。月球表面其他特征的觀測表明，某些區(qū)域可能含有最近10億至20億年前才形成的火山熔巖，這又說明月球上的火山活動可能停止得相對較晚。

我們自己采回來的樣品來自月球“風(fēng)暴洋”北部呂姆克山脈附近。這個地方其他國家從未到訪過，該地存在大約13億至20億年前的玄武巖，獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡，將有助于推進對月球火山活動和演化歷史的認(rèn)識。

百聞不如一見，聽完月宮取土的故事，你是不是想去一睹月壤的真容呢？我們就國家博物館見吧！